超高層大跨度建筑幕墻分析——上海東亞銀行金融大廈之空中花園

　　1.前言

　　上海東亞銀行金融大廈，原名上海高寶金融大廈，所在地位于浦東新區(qū)銀城西路與花園石橋路的拐角處，即陸家嘴金融中心X3-1地塊，建筑物外立面采用玻璃幕墻，總高度198m，標(biāo)準(zhǔn)層平面近似為“H”形，東西兩側(cè)為辦公用房，東側(cè)32層，西側(cè)40層，中間部分主要為通道、樓梯、電梯間及設(shè)備間。(圖1)

圖1

　　大樓在中間部位開辟了三處跨層的空中花園，分別位于：

　　本工程外立面形式較為規(guī)整，采用單元式玻璃幕墻（詞條“單元式玻璃幕墻”由行業(yè)大百科提供）系統(tǒng)。空中花園區(qū)域?yàn)榭鐚拥墓蚕砜臻g，單元幕墻板塊不能直接安裝在中間樓層的土建結(jié)構(gòu)之上，需要專門設(shè)計(jì)出大跨度的支承體系，在滿足建筑效果要求的同時(shí)，又能為超高層的單元玻璃幕墻提供結(jié)構(gòu)支承。

　　2.設(shè)計(jì)條件

　　三處空中花園建筑形式類似，我們以位于第一避難層至17層的“空中花園-1”為例進(jìn)行分析。

　　該處空中花園的幕墻面為一內(nèi)傾的斜面，傾斜角度3.9°，結(jié)構(gòu)洞口尺寸為16.9m×15.8m(寬×高)，是三處空中花園中最大的洞口，洞口上邊與下邊均為鋼結(jié)構(gòu)梁與樓板結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)有主體結(jié)構(gòu)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）混凝土框架梁。

圖2

　　空中花園的建筑外立面要求與標(biāo)準(zhǔn)樓層外觀一致，包括玻璃種類、幕墻分格、細(xì)部外觀等均不可出現(xiàn)變化。室內(nèi)部分由于共享空間的進(jìn)出尺寸十分有限，建筑要求幕墻應(yīng)盡量弱化自身支承體系的視覺(jué)尺寸，且不可有構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）與15F、16F、17F的邊部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，從而使空中花園在視覺(jué)上盡可能通透。

　　同時(shí)，由于此大跨度幕墻的高度較高，且為內(nèi)傾斜面，相比一般的豎直立面幕墻而言，設(shè)計(jì)中對(duì)抗風(fēng)壓（詞條“風(fēng)壓”由行業(yè)大百科提供）性能、防雨水滲漏性能、平面內(nèi)變形性能、防松脫構(gòu)造等方面，提出了更高的要求。

　　3.方案選型

　　空中花園的內(nèi)傾玻璃幕墻，因其位于本項(xiàng)目的高層區(qū)域，且四周與其相接的幕墻均為單元式玻璃幕墻系統(tǒng)，在建筑外立面外觀一致的條件下，如在此處采用框架式玻璃幕墻系統(tǒng)，不但框架系統(tǒng)自身在內(nèi)傾條件下的防雨水滲漏性能較弱，還需要在洞口四周增設(shè)與周邊單元式幕墻系統(tǒng)之間的交接構(gòu)造，從而使此區(qū)域的雨水滲漏風(fēng)險(xiǎn)大大增加;同時(shí)，由于框架式玻璃幕墻是在現(xiàn)場(chǎng)完成幕墻零件的組裝和施工，增大了超高層建筑幕墻的施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，并且在此區(qū)域容易導(dǎo)致其它大面積單元幕墻整體施工進(jìn)度的瓶頸。綜合權(quán)衡之下，我們選擇了與周邊幕墻一致的單元式玻璃幕墻系統(tǒng)作為空中花園外立面幕墻形式的首選。

　　在確立外立面幕墻系統(tǒng)形式之后，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是如何對(duì)幕墻的支承體系進(jìn)行選型，由于支承體系不能與中間樓層結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，只能選擇使用大跨度的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行支承，可有如下三種選型方向：

　　1. 選型方向一：鋼立柱+次鋼梁體系

　　以鋼立柱為主受力構(gòu)件，考慮到玻璃幕墻水平分格尺寸較小(1500mm)，鋼立柱按每3個(gè)分格(4500mm)設(shè)置，每層設(shè)置橫向鋼梁，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上。

　　2. 選型方向二：鋼桁架（詞條“鋼桁架”由行業(yè)大百科提供）+次鋼梁體系：

　　以豎向鋼桁架為主受力構(gòu)件，鋼桁架按每3個(gè)分格(4500mm)設(shè)置，每層設(shè)置橫向鋼梁，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上。

　　3. 選型方向三：鋼梁+吊索體系：

　　以橫向鋼梁為主受力構(gòu)件，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上，并按每3個(gè)分格(4500mm)設(shè)置豎向承重吊索，以解決鋼梁穩(wěn)定性及豎向荷載下的撓度問(wèn)題。

圖3

　　上述三種支承方案選型，各有優(yōu)劣，對(duì)比如下：

　　綜上比選，采用橫向構(gòu)件作為幕墻支承體系是優(yōu)選方向，但由于鋼橫梁的尺寸偏大，影響室內(nèi)觀感，我們將如何減小鋼橫梁的尺寸，同時(shí)又不影響室內(nèi)建筑效果，作為設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)，同時(shí)，考慮到洞口上下邊部結(jié)構(gòu)承載能力較弱，我們最終選擇了在鋼橫梁后側(cè)增設(shè)水平的魚腹形預(yù)應(yīng)力拉索系統(tǒng)，作為幕墻的主受力支承構(gòu)件，同時(shí)減小鋼橫梁截面尺寸，以滿足建筑效果的要求。

圖4

　　4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　作為在超高層建筑（詞條“超高層建筑”由行業(yè)大百科提供）中對(duì)單元幕墻板塊提供支承的大跨度、大撓度預(yù)應(yīng)力體系，除了需要考慮常規(guī)預(yù)應(yīng)力拉索體系的張拉控制、穩(wěn)定性、溫度變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）、應(yīng)力蠕變等各方面的因素之外，同時(shí)還需要考慮幕墻平面內(nèi)變形性能要求，以及大撓度預(yù)應(yīng)力體系對(duì)單元板塊之間對(duì)插構(gòu)造的影響所引發(fā)的安全隱患。

　　4.1幕墻結(jié)構(gòu)形式

　　由于鋁合金型材材料長(zhǎng)度規(guī)格限制，結(jié)合建筑層高，幕墻單元板塊高度只能按層高4.2m設(shè)計(jì)，單元板塊由工廠制作完成，通過(guò)連接件固定安裝在鋼橫梁上。

　　鋼橫梁采用120×120×8方鋼管制作，分別安裝于15F、16F、17F，鋼橫梁在對(duì)應(yīng)幕墻分格的位置設(shè)置承重拉桿，間隔1500mm布置，此鋼橫梁-承重拉桿共同形成一個(gè)緊貼于幕墻面之后并與之平行的內(nèi)傾斜面。

　　每道鋼橫梁的后部，均設(shè)置一道水平的魚腹形預(yù)應(yīng)力抗風(fēng)拉索(下簡(jiǎn)稱魚腹拉索)進(jìn)行支承，魚腹拉索跨度16.756m，弦高1.12m。由于幕墻立面為內(nèi)傾斜面，魚腹拉索亦設(shè)計(jì)為與幕墻立面垂直的方向上，采用Φ60×8撐桿與鋼橫梁連接。

　　魚腹拉索的后弦的撐桿節(jié)點(diǎn)上，間隔4500mm左右設(shè)置了3道豎向穩(wěn)定索。

圖5

　　4.2魚腹形預(yù)應(yīng)力拉索體系設(shè)計(jì)

　　水平的魚腹形預(yù)應(yīng)力拉索體系，是一套大撓度體系，作為空中花園大跨度單元玻璃幕墻的主受力支承系統(tǒng)，幕墻的所有荷載，均由此體系承擔(dān)。幕墻的荷載主要包括豎直重力荷載、垂直于幕墻表面的風(fēng)荷載、水平地震荷載，以及溫度應(yīng)力（詞條“溫度應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）。由于幕墻立面為內(nèi)傾斜面，豎直重力荷載和水平地震荷載均需按幕墻表面垂直方向和平行方向進(jìn)行分解后進(jìn)行計(jì)算。

　　首先，設(shè)計(jì)將考慮除溫度應(yīng)力之外的荷載作用：

　　1. 魚腹拉索：主要承擔(dān)垂直于幕墻表面的荷載，包括自重荷載垂直于幕墻面的分量、風(fēng)荷載、地震荷載垂直于幕墻面的分量;

　　2. 承重拉桿：主要承擔(dān)平行于幕墻表面向下的荷載，包括自重荷載平行于幕墻面的分量、地震荷載平行于幕墻面的分量;

　　3. 穩(wěn)定索：主要為精準(zhǔn)地固定魚腹拉索的空中位置，保持其在受力狀態(tài)下的空中姿態(tài)，同時(shí)保證魚腹拉索的穩(wěn)定性。

　　其次，作為對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（詞條“圍護(hù)結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）提供支承的預(yù)應(yīng)力拉索體系，除需滿足強(qiáng)度、撓度指標(biāo)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求之外，還應(yīng)考慮溫度應(yīng)力的影響。在最不利工況下，即最不利溫度條件下的極限受力狀態(tài)中，所有拉索、拉桿均不應(yīng)出現(xiàn)松弛。按照上海地區(qū)氣候條件和大樓的實(shí)際使用情況，室內(nèi)溫差按40℃計(jì)，最不利工況下的拉索、拉桿的殘余拉力設(shè)定為不低于2.0-5.0KN。

　　最后，設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮在長(zhǎng)期使用條件下，預(yù)應(yīng)力體系的應(yīng)力蠕變所帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失量，此部分按初始預(yù)應(yīng)力的10%取值，并加入到初始應(yīng)力中。

　　經(jīng)過(guò)多次權(quán)衡協(xié)調(diào)分析，并考慮盡量降低預(yù)應(yīng)力體系的初始預(yù)應(yīng)力，以利于降低對(duì)主體結(jié)構(gòu)的支座反力，魚腹拉索的設(shè)計(jì)采用了較大的弦高來(lái)控制預(yù)應(yīng)力，通過(guò)有限元軟件(非線性)進(jìn)行驗(yàn)算，得到應(yīng)力云圖與撓度云圖如下，可以看出，魚腹拉索的強(qiáng)度儲(chǔ)備較大，但撓度已達(dá)69.13mm(撓度許可值83.78mm)，該預(yù)應(yīng)力體系屬于撓度控制。

　　至此，我們選定了魚腹拉索的規(guī)格為Φ30mm不銹鋼索，承重拉桿的規(guī)格為Φ16mm不銹鋼桿，穩(wěn)定索的規(guī)格為Φ16mm不銹鋼索;魚腹拉索的預(yù)應(yīng)力值設(shè)定為173KN。

　　4.3鋼橫梁設(shè)計(jì)

　　空中花園的魚腹形預(yù)應(yīng)力拉索體系，是一套非線性的大撓度系統(tǒng)，而單元式玻璃幕墻系統(tǒng)板塊之間的對(duì)插構(gòu)造，也使單元板塊在幕墻平面內(nèi)有著一定范圍內(nèi)自由伸縮活動(dòng)的能力，這兩種系統(tǒng)疊加在一起時(shí)，一方面可以更好的適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的各種變形需求，形成一套柔性體系，但另一方面，卻可能帶來(lái)額外的安全隱患。

　　鋼橫梁的設(shè)置，主要目的便是為了消除這種安全隱患，同時(shí)方便單元板塊的安裝。

　　通過(guò)鋼橫梁，我們將同一樓層的單元板塊利用專用連接件安裝在同一個(gè)鋼橫梁上，并用螺栓（詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供）進(jìn)行鎖定。這樣做的好處，是可以防止板塊脫落，另外，對(duì)每塊單元板塊的左掛件進(jìn)行左右限位，防止了同層單元板塊之間的左右自由竄動(dòng)，從而避免了同層相鄰單元板塊之間的對(duì)插構(gòu)造因板塊的自由竄動(dòng)而導(dǎo)致脫出，同時(shí)，仍可利用此對(duì)插構(gòu)造釋放溫度變形。

圖7

　　鋼橫梁上對(duì)應(yīng)每個(gè)幕墻分格，設(shè)置了承重拉桿，一方面可以直接將單元板塊的豎向荷載通過(guò)承重拉桿直接傳遞至主體結(jié)構(gòu)，另一方面承重拉桿也在豎直方向上對(duì)鋼橫梁形成了約束，可防止鋼梁出現(xiàn)豎向變形過(guò)大，從而導(dǎo)致上下樓層單元板塊之間的對(duì)插構(gòu)造脫出，進(jìn)而引發(fā)安全事故。承重拉桿的設(shè)置，并不會(huì)影響上下樓層單元板塊之間的橫向自由滑動(dòng)能力，可滿足建筑幕墻的平面內(nèi)變形性能要求。

　　5.結(jié)束語(yǔ)

　　超高層建筑在局部部位設(shè)計(jì)共享空間的項(xiàng)目日益增多，超高層幕墻多采用單元式幕墻系統(tǒng)，而共享空間又需要大跨度、通透性好的幕墻體系。上海東亞銀行金融大廈的空中花園所使用的大跨度“預(yù)應(yīng)力拉索+小鋼梁”的結(jié)構(gòu)支承體系，在滿足各種結(jié)構(gòu)荷載和變形需求的前提下，形成了一套較為完善的“柔性”體系，可滿足建筑效果和幕墻各項(xiàng)性能要求，同時(shí)也規(guī)避了的安全隱患，對(duì)今后類似的工程項(xiàng)目有著重要的借鑒意義。

　　[參考資料]

　　1.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)-建筑幕墻GB/T 21086-2007。北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.2

　　2.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ-2003。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.12

　　3.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)-建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)幕墻GB 50009-2001。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.11